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北京同步辐射漫散射线站助力用户取得钙钛矿太阳能电池研究新进展

2022-07-22 15:19     来源:多学科中心     X射线衍射分析

有机——无机杂化钙钛矿太阳能电池具有光电转化效率高、成本低廉等优点,受到学术界和产业界的重视。现阶段高效率钙钛矿电池多数是通过溶液旋涂法制备,这种方法不利于制备大面积钙钛矿器件,存在有机溶剂污染环境的问题,且难以和工业化生产兼容。相比之下,真空蒸镀工艺有效避免了有机溶剂的使用,且可以实现大面积均匀沉积薄膜,被学界认为是一种可以规模化生产钙钛矿太阳能电池的工艺。然而,迄今为止,通过真空蒸镀工艺制备的钙钛矿太阳能电池的光电转化效率仍显著落后于溶液旋涂法。

近日,清华大学电机系易陈谊课题组报道了一种基于真空蒸镀制备高效率大面积钙钛矿太阳能电池的新工艺。该工艺制备的电池打破了真空蒸镀法钙钛矿太阳能电池效率的世界纪录,相关成果发表在国际学术期刊《科学·进展》(Science Advances)上(Sci. Adv.8, eabo7422 (2022) )。

该课题组提出了一种氯元素合金化的真空蒸镀工艺,用于制备高效率大面积钙钛矿太阳能电池。通过该方法制备的太阳能电池表现出了优异的光电性能,在AM1.5G标准光照下取得了最高24.42%的光电转换效率,刷新了真空蒸镀法制备钙钛矿太阳能电池的效率纪录,在1cm2和14.4 cm2的大面积器件上分别实现了23.44%和19.87%的光电转化效率。此外,真空蒸镀法制备的太阳能电池表现出了良好的稳定性,在干燥空气中存储超过4000小时后无衰减,在湿度为35%的环境空气中储存1300小时后仍然保持97%的初始效率。该研究结果展示了真空蒸镀工艺在制备大面积高效率钙钛矿太阳能电池的优越性和产业化应用的可行性。

研究人员依托北京同步辐射装置1W1A-漫散射实验站使用掠入射广角X射线散射(GIWAXS)、掠入射X射线衍射(GIXRD)对钙钛矿电池的结晶过程进行了原位表征。GIWAXS测试结果表明:在前驱体薄膜中引入氯元素可以形成多元合金(Cs0.05PbI2.05-xClx),使前驱体薄膜具有垂直于基底生长的择优取向和更强的结晶性。原位GIWAXS和原位GIXRD测试表明,氯元素的掺杂可以显著加速FAI分子在碘化铅(PbI2)晶格中的扩散速度、促进δ相甲脒铅碘(δ-FAPbI3)转变为α相(α-FAPbI3),以及显著提升FAPbI3的结晶性。

图1 真空蒸镀钙钛矿电池器件性能和稳定性表征

图2 原位GIWAXS测试表征钙钛矿薄膜结晶过程

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